JP5124999B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、主として電力変換装置等に使用される半導体装置およびその製造方法に関し、特にダイオード、MISFETまたはIGBT等のパワー半導体装置に設けられた終端構造に特徴を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device mainly used for a power converter and the like and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device characterized by a termination structure provided in a power semiconductor device such as a diode, MISFET or IGBT, and a manufacturing method thereof.
一般に、ダイオードやMISFET(金属−絶縁膜−半導体構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)やIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のデバイスは、一枚の半導体ウェハ内に多数、形成される。そのようなデバイスでは、終端構造として、プレーナ型の接合終端構造が採用されることが多い。プレーナ型の接合終端構造は、その構造部内に電界の曲率部分を有するため、活性部内の平面状の接合に比べて電界集中による高電界部分ができやすい。 In general, a large number of devices such as diodes, MISFETs (insulated gate field effect transistors having a metal-insulating film-semiconductor structure), and IGBTs (insulated gate bipolar transistors) are formed in one semiconductor wafer. Such a device often employs a planar junction termination structure as the termination structure. Since the planar junction termination structure has a curvature portion of the electric field in the structure portion, a high electric field portion due to electric field concentration is easily formed as compared with the planar junction in the active portion.
終端構造部内に高電界部分ができると、活性部よりも先に終端構造部がブレークダウンの臨界電界に到達するため、低い耐圧となってしまう。そこで、従来より、プレーナ型の接合終端構造として、フローティングガードリング構造、フィールドプレート構造またはリサーフ構造等や、それらを適宜組み合わせた構造を採用することによって、耐圧を確保している(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
If a high electric field portion is formed in the termination structure portion, the termination structure portion reaches a breakdown critical electric field before the active portion, resulting in a low breakdown voltage. Therefore, conventionally, as a planar type junction termination structure, a floating guard ring structure, a field plate structure, a RESURF structure, or the like, or a structure in which they are appropriately combined, is secured (for example, Patent Documents). 1, see
また、p型仕切り領域とn型ドリフト領域を交互に複数並置した超接合型半導体装置に関して、終端構造領域の下にまでp型仕切り領域とn型ドリフト領域の超接合層を形成した装置が公知である(例えば、特許文献3、特許文献4参照。)。このような装置では、終端構造領域の下の超接合層は、p型仕切り領域とn型ドリフト領域のチャージバランスを保つものか、またはドリフト層と同一導電型の層を付け加えフローティングガードリング構造、フィールドプレート構造またはリサーフ構造を形成した構造となっている。また、超接合層を有する活性部の外側に絶縁領域を設け、この絶縁領域で耐圧を保持するようにした超接合型半導体装置が公知である(例えば、特許文献5参照。)。
Also, with respect to a superjunction semiconductor device in which a plurality of p-type partition regions and n-type drift regions are juxtaposed alternately, a device in which a super-junction layer of a p-type partition region and an n-type drift region is formed under the termination structure region is known. (For example, see
ここで、超接合型半導体装置とは、ドリフト層が、一様、かつ単一の導電型層ではなく、第1導電型の半導体領域(例えば、n型のドリフト領域)と第2導電型の半導体領域(例えば、p型の仕切り領域)が交互に繰り返し接合された層になっている半導体装置のことである。 Here, in the super junction type semiconductor device, the drift layer is not a uniform and single conductivity type layer, but a first conductivity type semiconductor region (for example, an n-type drift region) and a second conductivity type. It is a semiconductor device in which semiconductor regions (for example, p-type partition regions) are layers that are alternately and repeatedly joined.
しかしながら、従来のプレーナ型の接合終端構造は、活性部の周囲に形成され、かつその表面が、耐圧を支える主接合のある活性部の表面と同一の表面に形成されることが多い。その場合、平面状のpn接合により生じる電界上昇と、終端構造部内の接合面に曲率部分があることによって電界集中が起こり、高電界部分が生じることとの相乗効果によって、活性部よりも先に終端構造部がブレークダウンの臨界電界に到達してしまい、耐圧が低くなってしまうという問題点がある。ここで、耐圧を支える主接合とは、逆方向に電圧が印加されるpn接合のことである。 However, the conventional planar junction termination structure is often formed around the active portion, and its surface is often formed on the same surface as the surface of the active portion having the main junction that supports the breakdown voltage. In that case, the electric field concentration caused by the planar pn junction and the electric field concentration occurs due to the presence of the curvature portion on the junction surface in the termination structure portion, and the synergistic effect that the high electric field portion occurs, before the active portion. There is a problem in that the termination structure part reaches a critical electric field for breakdown and the breakdown voltage is lowered. Here, the main junction that supports the breakdown voltage is a pn junction to which a voltage is applied in the reverse direction.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、接合終端構造の耐圧を向上させた半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof in which the breakdown voltage of a junction termination structure is improved in order to eliminate the above-described problems caused by the prior art.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体装置は、半導体基板の厚さ方向に電流を流す縦型の半導体装置であって、前記半導体基板の表面側に選択的に形成された第2導電型ベース領域と、該半導体基板の裏面側の第1導電型半導体基板層と、該第1導電型半導体基板層と該第2導電型ベース領域の間であって該第1導電型半導体基板層よりも低不純物濃度の第1導電型ドリフト層とからなる活性部領域と、前記第2導電型ベース領域に電気的に接続された第1主電極と、前記半導体基板の切断面に沿った外周四面に形成される第1導電型ピラー領域と、前記活性部領域を囲み、かつ該活性部領域から第1導電型ピラー領域までの間すべてと該半導体基板の表面から前記第1導電型半導体基板層までの間すべてとにかけて形成される第2導電型半導体領域を有する終端構造部と、前記半導体基板の裏面側に電気的に接続された第2主電極と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the semiconductor device according to the invention of
また、請求項2の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記第2導電型半導体領域に更に第1導電型半導体領域を付加し、該第2導電型半導体領域の平均不純物濃度から第1導電型半導体領域の平均不純物濃度を差し引いた平均不純物濃度が2.5×1014cm-3以下の第2導電型であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein a first conductive type semiconductor region is further added to the second conductive type semiconductor region, and an average of the second conductive type semiconductor region is provided. An average impurity concentration obtained by subtracting the average impurity concentration of the first conductivity type semiconductor region from the impurity concentration is a second conductivity type of 2.5 × 10 14 cm −3 or less.
また、請求項3の発明にかかる半導体装置は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記第1導電型ドリフト層が、第1導電型のドリフト領域、又は交互に複数配置した第1導電型のドリフト領域と第2導電型の仕切り領域であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first or second aspect, wherein the first conductivity type drift layer is a first conductivity type drift region or a plurality of alternately arranged drift regions. It is a drift region of one conductivity type and a partition region of a second conductivity type.
また、請求項4の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記第2導電型半導体領域と前記第1導電型ドリフト層の接合界面が傾斜していることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the junction interface between the second conductive type semiconductor region and the first conductive type drift layer is inclined. It is characterized by.
また、請求項5の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の発明において、前記第2導電型半導体領域と、前記第1導電型半導体基板層との間に、絶縁層が付加されていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the second conductive type semiconductor region and the first conductive type semiconductor substrate layer are interposed between the second conductive type semiconductor region and the first conductive type semiconductor substrate layer. In addition , an insulating layer is added .
また、請求項6の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記第2導電型半導体領域が、前記第2導電型ベース領域に接していることを特徴とする。 A semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the second conductive type semiconductor region is in contact with the second conductive type base region. It is characterized by.
また、請求項7の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜6のいずれか一つに記載の発明において、前記第2導電型半導体領域の表面の前記半導体基板の切断側に、第1導電型チャネルストッパ領域が設けられていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the first conductive material is disposed on the cut side of the semiconductor substrate on the surface of the second conductive type semiconductor region. A mold channel stopper region is provided.
また、請求項8の発明にかかる半導体装置は、請求項7に記載の発明において、前記第1導電型ピラー領域と前記第1導電型チャネルストッパ領域が接することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the seventh aspect, the first conductivity type pillar region and the first conductivity type channel stopper region are in contact with each other.
また、請求項9の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜8のいずれか一つに記載の発明において、前記第2導電型ベース領域に接し、かつ前記第2導電型半導体領域の少なくとも一部の表面を被う絶縁膜の上に伸びるフィールドプレート構造が設けられていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a ninth aspect of the invention is the semiconductor device according to any one of the first to eighth aspects, wherein the semiconductor device is in contact with the second conductive type base region and at least one of the second conductive type semiconductor regions. A field plate structure extending on an insulating film covering the surface of the portion is provided.
また、請求項10の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、素電荷をqとし、シリコンの誘電率をεSiとし、半導体の臨界電界強度をEcriticalとし、前記第2導電型半導体領域の厚さおよび濃度をそれぞれtおよびN2とすると、
[N2<εSi×Ecritical/(q×t)]
であることを特徴とする。
A semiconductor device according to a tenth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the elementary charge is q, the dielectric constant of silicon is ε Si , the critical electric field strength of the semiconductor is E critical, and the second If the thickness and concentration of the conductive semiconductor region are t and N 2 , respectively,
[N 2 <ε Si × E critical / (q × t)]
It is characterized by being.
また、請求項11の発明にかかる半導体装置は、請求項10に記載の発明において、[N2<0.8×εSi×Ecritical/(q×t)]
であることを特徴とする。
The semiconductor device according to
It is characterized by being.
また、請求項12の発明にかかる半導体装置は、請求項6に記載の発明において、前記第2導電型ベース領域の、前記第2導電型半導体領域への突出量をWprojectionとし、前記第2導電型半導体領域の厚さをtとすると、
Wprojection>0.2×t
であることを特徴とする。
A semiconductor device according to a twelfth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the sixth aspect of the present invention, wherein a projection amount of the second conductivity type base region to the second conductivity type semiconductor region is W projection , If the thickness of the conductive semiconductor region is t,
W projection > 0.2 × t
It is characterized by being.
また、請求項13の発明にかかる半導体装置は、請求項12に記載の発明において、Wprojection>0.4×t
であることを特徴とする。
A semiconductor device according to a thirteenth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the twelfth aspect of the present invention, wherein W projection > 0.4 × t
It is characterized by being.
また、請求項14の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜13のいずれか一つに記載の発明において、前記縦型の半導体装置が、ダイオード、MOSFET及びIGBTのいずれかであることを特徴とする。 A semiconductor device according to a fourteenth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the vertical semiconductor device is any one of a diode, a MOSFET, and an IGBT. And
また、請求項15の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板に複数のトレンチをエッチングで形成した後、前記トレンチ間に残った半導体基板領域を熱酸化し、前記熱酸化により生じた酸化膜を除去し、この酸化膜を除去した部分を少なくとも第2導電型のエピタキシャル層で満たし前記第2導電型半導体領域を形成することを特徴とする。 A semiconductor device manufacturing method according to a fifteenth aspect of the present invention is the semiconductor device manufacturing method according to the first aspect, wherein a plurality of trenches are formed in the semiconductor substrate by etching, and then remain between the trenches. The semiconductor substrate region is thermally oxidized, the oxide film generated by the thermal oxidation is removed, and the portion where the oxide film is removed is filled with at least a second conductivity type epitaxial layer to form the second conductivity type semiconductor region. It is characterized by.
また、請求項16の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板に複数のトレンチをエッチングで形成した後、前記トレンチを第2導電型のエピタキシャル層で満たし、更にトレンチ間に第2導電型の不純物拡散を行い前記第2導電型半導体領域を形成することを特徴とする。 According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, wherein a plurality of trenches are formed in the semiconductor substrate by etching, and then the second trenches are formed. The second conductive type semiconductor region is formed by filling with a conductive type epitaxial layer and further diffusing a second conductive type impurity between the trenches.
また、請求項17の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板に湿式異方性エッチングでトレンチを形成し、前記トレンチを第2導電型のエピタキシャル層で満たし、前記第2導電型半導体領域を形成することを特徴とする。
A semiconductor device manufacturing method according to
また、請求項18の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項15〜17のいずれか一つに記載の発明において、前記エピタキシャル層で満たした後、熱酸化と熱酸化後の前記半導体基板表面の研磨を行うことを特徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor device according to an invention of
請求項1の発明によれば、終端構造部における第2導電型半導体領域が活性部におけるドリフト層の導電型(第1導電型)と逆になり、ベース領域の導電型(第2導電型)と同じになる。また、請求項2の発明によれば、終端構造部における第2導電型半導体領域の実効的な導電型がベース領域の導電型(第2導電型)と同じになる。従って、いずれの場合も、終端構造部の耐圧を支える主接合が第1主電極側でなくなり、終端構造部の耐圧を支える主接合と活性部の耐圧を支える主接合が同一面でなくなるので、平面接合の電界上昇が第1導電型の半導体基板層と第2導電型半導体領域で起こるようになる。
According to the first aspect of the present invention, the second conductivity type semiconductor region in the termination structure portion is opposite to the conductivity type of the drift layer in the active portion (first conductivity type), and the conductivity type of the base region (second conductivity type). Will be the same. According to the invention of
また、請求項10、11の発明によれば、終端構造部の下の半導体基板層から第1主面に空乏層が届く。特に、請求項11の発明によれば、空乏層が確実に第1主面に届く。
According to the tenth and eleventh aspects of the present invention, the depletion layer reaches the first main surface from the semiconductor substrate layer under the termination structure portion. In particular, according to the invention of
また、請求項15又は16の発明にかかる半導体装置の製造方法は、厚い第2導電型半導体領域を容易に形成することができる。 In the semiconductor device manufacturing method according to the fifteenth or sixteenth aspect of the invention, the thick second conductivity type semiconductor region can be easily formed.
本発明にかかる半導体装置によれば、プレーナ型の接合終端構造を有する半導体装置において、平面接合の電界上昇と、電界集中による高電界部分ができることの相乗効果が現れるのを防ぐことができる。それによって、プレーナ型の接合終端構造内の電界がブレークダウンを起こす電界に到達しにくくなるので、接合終端構造の耐圧を向上させるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、プレーナ型の接合終端構造を有し、かつ接合終端構造の耐圧を向上させた半導体装置が得られるという効果を奏する。 According to the semiconductor device of the present invention, in a semiconductor device having a planar type junction termination structure, it is possible to prevent a synergistic effect between an electric field rise of a planar junction and a high electric field portion due to electric field concentration from appearing. This makes it difficult for the electric field in the planar junction termination structure to reach an electric field that causes breakdown, thereby improving the breakdown voltage of the junction termination structure. In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device having a planar junction termination structure and having an improved breakdown voltage of the junction termination structure.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれ相対的に不純物濃度が高いおよび低いことを意味する。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is relatively high and low, respectively. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
実施の形態1.
(半導体装置の構成)
図1−1および図1−2は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の要部の構成を示す図であり、図1−1は終端構造部300を示すための断面図であり、図1−2は活性部200を示すための斜視図である。図1−1および図1−2に示すように、半導体装置100は、MOSFET(金属−酸化膜−半導体構造を有するFET)やIGBTやダイオードなどの素子が形成される活性部200と、この活性部200を囲む終端構造部300を備えている。終端構造部300は、半導体装置100の第1主面側に配置されている。
(Configuration of semiconductor device)
FIGS. 1-1 and 1-2 are diagrams showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1-1 is a sectional view for showing the
十分に不純物濃度の高いn型半導体基板層1が、活性部200の領域と終端構造部300の領域にわたって設けられている。活性部200の領域では、複数のp型仕切り領域2と複数のn型ドリフト領域3が交互に並置されてなる超接合層4が、n型半導体基板層1に接してその上に設けられている。
An n-type
例えば半導体装置100が縦型のトレンチMOSFETである場合には、選択的に形成されたpベース領域またはpボディ領域(以下、pベース/ボディ領域とする)5と、該pベース/ボディ領域5内に選択的に形成されたソース領域63と、pベース/ボディ領域5よりも深く形成されたトレンチ64と、トレンチ64内に酸化膜12よりも薄いゲート絶縁膜65を介して形成されるゲート電極66と、ゲート電極66上を覆う層間絶縁膜15と、pベース/ボディ領域5とソース領域63に電気的に接続するソース電極6が、半導体装置100の第1主面側に設けられている。図1−2の斜視図では理解を容易にするためにソース電極6を省略している。この実施の形態では、トレンチのゲート電極66の伸びる方向と、複数のp型仕切り領域2と複数のn型ドリフト領域3が交互に並置されてなる超接合層4が伸びる方向とが直交するようになっている。このように直交させるとpベース/ボディ領域5と超接合層4が確実に接するようになるので、前記第1主面側の各領域と超接合層4の合わせこみが容易となり、位置合わせが容易である。n型半導体基板層1は、MOSFETのドレイン領域となる。ドレイン電極7は、半導体装置100の第2主面側に設けられており、n型半導体基板層1に電気的に接続する。
For example, when the
一方、終端構造部300の領域では、p型仕切り領域8が、n型半導体基板層1に接してその上に設けられている。このp型仕切り領域8は、pベース/ボディ領域5に接している。p型仕切り領域8と半導体装置100の切断面9との間には、n型チャネルストッパ領域10とこれに接するn型ピラー領域11が設けられている。n型チャネルストッパ領域10は、半導体装置100の第1主面側に設けられている。n型ピラー領域11は、半導体装置100の切断面9に沿って、n型チャネルストッパ領域10とn型半導体基板層1の間に設けられている。
On the other hand, in the region of the
活性部200に設けられたpベース/ボディ領域5の終端構造部300との境界部分と、n型チャネルストッパ領域10の間の、p型仕切り領域8の第1主面側は、酸化シリコンなどの酸化膜12により被われている。この酸化膜12の上に選択的にフィールドプレート13,14が設けられている。
The first main surface side of the p-
ソース電極6は、活性部200から終端構造部300側へ伸び、活性部200寄りに配置されたフィールドプレート13に、層間絶縁膜15に開口するコンタクトホールを介して接触している。終端構造部300におけるフィールドプレート構造は、これらp型仕切り領域8を被う酸化膜12、活性部200寄りに配置されたフィールドプレート13およびこれに接するソース電極6の終端部により構成されている。
The
また、n型チャネルストッパ領域10寄りに配置されたフィールドプレート14には、n型チャネルストッパ領域10に接するチャネルストッパ電極16が、層間絶縁膜15に開口するコンタクトホールを介して接触している。終端構造部300は、パッシベーション膜17により被われている。なお、図1−1には、半導体装置100の断面構成とともに、p型仕切り領域8に、終端構造部300における等電位線(7本の折れ線)が示されている。
In addition, a
(終端構造部下のp型仕切り領域に対するpベース/ボディ領域の突出量)
本発明者らは、終端構造部300の下のp型仕切り領域8とpベース/ボディ領域5が電気的に接続されており、さらにpベース/ボディ領域5が終端構造部300の下のp型仕切り領域8に対して突出するように設計されていると、安定的に高い耐圧が得られることを見出した。図2は、p型仕切り領域8の厚さ(基板横方向)を50μmとしたときの終端構造部300の下のp型仕切り領域8に対するpベース/ボディ領域5の突出量と耐圧の関係を示す特性図である。
(Projection amount of p base / body region relative to p-type partition region under terminal structure)
The inventors of the present invention electrically connect the p-
図2より、pベース/ボディ領域5の突出量が10μm(p型仕切り領域8の厚さの1/5)以上、好ましくは20μm(p型仕切り領域8の厚さの2/5)以上であれば、安定的に高い耐圧が得られることがわかる。これを、pベース/ボディ領域5の突出量およびp型仕切り領域8の厚さをそれぞれWprojectionおよびtとして一般化すると、次の(1)式を満たすと安定的に高い耐圧が得られ、(2)式を満たすとより安定して高い耐圧が得られる。
Wprojection>0.2×t ・・・(1)
Wprojection>0.4×t ・・・(2)
From FIG. 2, the protrusion amount of the p base /
W projection > 0.2 × t (1)
W projection > 0.4 × t (2)
(終端構造部下のp型仕切り領域の不純物濃度範囲)
また、本発明者らは、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の不純物濃度に好適な濃度範囲が存在することを見出した。図3は、p型仕切り領域8の厚さを50μmとしたときのp型仕切り領域8の不純物濃度と耐圧の関係を示す特性図である。図3より、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の不純物濃度は、2.5×1014cm-3以下、好ましくは2.0×1014cm-3以下であれば、高い耐圧が得られることがわかる。
(Impurity concentration range of the p-type partition region under the termination structure)
Further, the present inventors have found that there is a concentration range suitable for the impurity concentration of the p-
ここで、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の不純物濃度が2.5×1014cm-3であるということは、おおよそ、終端構造部300の下のp型仕切り領域8とn型半導体基板層1からなるpn接合から広がる空間電荷領域がp型仕切り領域8の表面層に到達し得る程度の不純物濃度であるということである。終端構造部300の下のp型仕切り領域8の不純物濃度が2.5×1014cm-3よりも高い場合には、空間電荷領域がp型仕切り領域8の表面層に到達できないため、終端構造部300の下のp型仕切り領域8とn型半導体基板層1からなるpn接合によって耐圧が決定されることになり、耐圧が低くなってしまう。
Here, the impurity concentration of the p-
図4は、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の不純物濃度を5.0×1014cm-3としたときのアバランシェ降伏時のキャリア発生状況をシミュレートした結果を示す図である。図4において上段および下段は、それぞれ半導体装置100の要部断面構成およびキャリア発生状況を示しており、同図に点線および一点鎖線で示すように、活性部200および終端構造部300の各領域の位置は一致させている。図4より、終端構造部300の下のp型仕切り領域8とn型半導体基板層1からなるpn接合でキャリアが発生しており、この部分でアバランシェ降伏して耐圧が決定されていることがわかる。
FIG. 4 is a diagram showing a result of simulating the carrier generation state at the time of avalanche breakdown when the impurity concentration of the p-
従って、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の好適な不純物濃度を、n型半導体基板層1と終端構造部300の下のp型仕切り領域8からなるpn接合から広がる空間電荷領域が半導体表面層に到達するように決定するとよい。一般に、不純物濃度がNである半導体層中に広がる空間電荷領域の厚さをtDepとすると、半導体層の濃度Nは、ポアソン方程式により次の(3)式で表される。ただし、素電荷をqとし、シリコンの誘電率をεSiとし、シリコンの臨界電界強度をEcriticalとする。
N=εSi×Ecritical/(q×tDep) ・・・(3)
Accordingly, a suitable impurity concentration in the p-
N = ε Si × E critical / (q × t Dep ) (3)
従って、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の不純物濃度および厚さをそれぞれN2およびtとすると、次の(4)式を満たすとよい。(4)式を満たすことにより、空乏層が終端構造部300の下のn型半導体基板層1から半導体装置100の第1主面に届く。また、好ましくは、次の(5)式を満たすと、空乏層が半導体装置100の第1主面に確実に届くのでよい。
N2<εSi×Ecritical/(q×t) ・・・(4)
N2<0.8×εSi×Ecritical/(q×t) ・・・(5)
Therefore, if the impurity concentration and thickness of the p-
N 2 <ε Si × E critical / (q × t) (4)
N 2 <0.8 × ε Si × E critical / (q × t) (5)
(n型ピラー領域の不純物濃度)
n型ピラー領域11の不純物濃度がn型ドリフト領域3の不純物濃度と同じかまたはほぼ同じであるとよい。そうすれば、半導体装置100を製造する際に、n型ピラー領域11とn型ドリフト領域3を同時に作製することができる。それによって、それらを別々に作製するよりも工程数が少なくて済むので、製造コストが低減され、安価な半導体装置が得られる。
(Impurity concentration of n-type pillar region)
The impurity concentration of the n-
(半導体装置の製造方法)
次に、半導体装置100の製造方法について説明する。ここでは、一例として、耐圧600Vの超接合型MOSFETの製造方法について、その終端構造部300を中心に説明する。図5〜図12は、製造段階の半導体装置100の要部断面図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the
n型半導体基板層1の上に、活性部200となる領域ではp型仕切り領域2とn型ドリフト領域3の超接合層4、終端構造部300の形成領域ではp型仕切り領域8、および半導体装置100の切断面9となる領域ではn型ピラー領域11が、それぞれ例えば50μmの厚さに形成された半導体基板を形成する。超接合層4のp型仕切り領域2とn型ドリフト領域3は、それぞれ例えば6μmピッチで交互に配置されている。
On the n-type
超接合層4のp型仕切り領域2およびn型ドリフト領域3は、それぞれボロン等のp型不純物およびリン等のn型不純物を含む。超接合層4では、p型仕切り領域2およびn型ドリフト領域3の各不純物濃度の平均濃度は、例えば約3×1015cm-3程度である。終端構造部300の形成領域のp型仕切り領域8は、例えば1.0×1014cm-3程度のボロン等のp型不純物を含む。n型ピラー領域11は、超接合層4のn型ドリフト領域3と同程度のリン等のn型不純物を含む。
The p-
このような半導体基板を簡便に形成する方法の一つとして、図5〜図9に示す方法がある。まず、高不純物濃度のn型Si半導体基板18の上に、不純物として例えば1.0×1014cm-3程度のボロンを含むp型半導体層19を例えば6〜10μm程度の厚さに成長させる(図5)。次いで、フォトレジストをマスク20にして超接合層4のp型仕切り領域2となる箇所に所定濃度の例えばボロン(B)をイオン注入する(図6)。図6において、符号21で示す領域は、ボロン等のp型不純物の注入領域である。
One method for easily forming such a semiconductor substrate is shown in FIGS. First, a p-
また、別のフォトレジストをマスク22にして超接合層4のn型ドリフト領域3とn型ピラー領域11となる箇所に所定濃度の例えばリン(P)をイオン注入する(図7)。図7において、符号23で示す領域は、リン等のn型不純物の注入領域である。なお、図7の工程を先に行ってから図6の工程を行ってもよい。この図6の工程と図7の工程を交互にそれぞれ5〜8回程度繰り返す(図8)。
Further, for example, phosphorus (P) having a predetermined concentration is ion-implanted into the n-
その後、例えば1150℃で10時間程度の熱処理を行うことによって、上述したようなn型半導体基板層1上に、超接合層4のp型仕切り領域2およびn型ドリフト領域3と、p型仕切り領域8と、n型ピラー領域11を有する超接合基板24ができあがる(図9)。この超接合基板24では、図6および図7の工程において不純物が注入されなかった領域が、終端構造部300の下のp型仕切り領域8となる。このようにしてできた超接合基板24を用いる。
Thereafter, for example, by performing heat treatment at 1150 ° C. for about 10 hours, the p-
図10に示すように、超接合基板24の超接合層4の側の主面(第1主面)に例えば厚さ0.8μm程度の酸化膜12を形成する。そして、フォトリソグラフィおよびエッチング工程によって、その酸化膜12の、終端構造部300以外の部分を取り除く。次いで、図には現れていないが、ゲート酸化膜を例えば100nm程度の厚さに形成し、その上にポリシリコンを成長させる。そして、気相拡散法またはイオン注入法により、そのポリシリコン中に十分な濃度の不純物を導入し、フォトリソグラフィおよびエッチング工程によって所定の形状のゲート電極を形成する。このとき、終端構造部300では、1段目のフィールドプレート13,14が形成される。
As shown in FIG. 10, an
次いで、超接合基板24の第1主面側から、例えば1×1014cm-2程度のドーズ量でボロンのイオン注入を行い、熱処理を行う。また、超接合基板24の第1主面側から、フォトレジストをマスクとして例えば1×1015cm-2程度のドーズ量でボロンのイオン注入を行う。さらに、超接合基板24の第1主面側から、フォトレジストをマスクとして例えば5×1015cm-2程度のドーズ量で砒素のイオン注入を行い、熱処理を行う。
Next, boron is ion-implanted from the first main surface side of the
これらのイオン注入工程と熱処理工程によって、図10には現れていないが、活性部200にpベース領域、pボディ領域およびソース領域が形成される。このとき、終端構造部300では、pベース/ボディ領域5とn型チャネルストッパ領域10が形成される(図10)。次いで、超接合基板24の第1主面側に、例えばリンやボロン等を含む酸化シリコンの膜を約1.1μmの厚さに生成し、所定のフォトリソグラフィおよびエッチング工程によって、その酸化シリコンの膜にコンタクトホールを形成する。そして、例えば900℃程度でリフローを行い、層間絶縁膜15を形成する(図11)。
Although not shown in FIG. 10, the p base region, the p body region, and the source region are formed in the
次いで、超接合基板24の第1主面側に、例えばシリコンを1%含有するアルミニウム膜を約3μmの厚さに成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチング工程によって、そのアルミニウム膜からソース電極6とチャネルストッパ電極16を形成する(図12)。次いで、超接合基板24の第1主面側に、例えばポリイミド膜を10μm程度の厚さに成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチング工程によって、そのポリイミド膜からパッシベーション膜17を形成する。
Next, an aluminum film containing, for example, 1% silicon is formed to a thickness of about 3 μm on the first main surface side of the
次いで、超接合基板24の第2主面側、すなわちn型半導体基板層1の側にチタン、ニッケルおよび金を順次成膜し、ドレイン電極7を形成する。このようにして、図1−1および図1−2に示すような超接合型MOSFETの活性部200と、多段フィールドプレート構造およびチャネルストッパ構造を有する終端構造部300が完成する。最後に、ダイサーによって、同一ウェハ内で隣り合うチャネルストッパ電極16の間の、半導体装置100が形成されていない領域で個々のチップに切り分けることによって、個々の超接合型MOSFETが完成する。なお、この製造方法で形成されたMOSFETは、縦型のプレーナMOSFETである。
Next, titanium, nickel, and gold are sequentially formed on the second main surface side of the
(従来例との比較)
実施の形態1の半導体装置と従来構成の超接合型半導体装置(従来例Aとする)について、耐圧を調べた結果を図13に示す。また、アバランシェ降伏時の電位分布、電界分布およびインパクトイオン化率をシミュレーションによって比較した結果をそれぞれ図14、図15および図16に示す。さらに、図17に、実施の形態1の半導体装置と従来例Aについて、アバランシェ降伏時の活性部寄りのフィールドプレート端および酸化膜段差部における電界強度の深さ方向の分布を示す。
(Comparison with conventional example)
FIG. 13 shows the result of examining the breakdown voltage of the semiconductor device of the first embodiment and the superjunction semiconductor device having the conventional configuration (conventional example A). In addition, the results of comparing the potential distribution, electric field distribution, and impact ionization rate during avalanche breakdown by simulation are shown in FIGS. 14, 15, and 16, respectively. Further, FIG. 17 shows the distribution in the depth direction of the electric field strength at the field plate edge and the oxide film step portion near the active portion at the time of avalanche breakdown for the semiconductor device of the first embodiment and Conventional Example A.
なお、図18に示すように、従来例Aの半導体装置1000は、終端構造部300とその下のn型半導体基板層1の間の半導体領域1008の導電型をn型にした以外は、実施の形態1の半導体装置100と同じ構造のものである。図13より、実施の形態1の半導体装置100の耐圧は、従来例Aよりも高いアバランシェ降伏電圧を示すことがわかる。また、図14より、実施の形態1の半導体装置100および従来例Aのいずれでも、電位面がフィールドプレート端で曲率を有しており、それら曲率の部分の電界が高くなっていることが予想される。
As shown in FIG. 18, the
図15より、実施の形態1の半導体装置100のフィールドプレート端の電界強度は、従来例Aのフィールドプレート端の電界強度と同様に高くなっていることがわかる。しかしながら、図17より、実施の形態1の半導体装置100の方が従来例Aよりも、フィールドプレート端の電界強度が低いことがわかる。
From FIG. 15, it can be seen that the electric field strength at the field plate end of the
これは、実施の形態1の半導体装置100では、電圧を支える主接合面がn型半導体基板層1と終端構造部300の下のp型仕切り領域8の界面にあり、pベース/ボディ領域5が形成されている第1主面に向かって電界強度が低下している。それに対して、従来例Aでは、終端構造部300の下の半導体領域1008がn型であるため、電圧を支える主接合面がn型半導体領域1008の表面層、すなわちpベース/ボディ領域5の形成面にある。従って、従来例Aでは、平面接合の電界上昇と、電界集中による高電界部分ができることの相乗効果が現れてしまう。
This is because, in the
図16より、従来例Aでは、2段目フィールドプレート端でのインパクトイオン化率が高くなっており、この部分で耐圧が決定されていることがわかる。それに対して、実施の形態1の半導体装置100では、活性部200においてインパクトイオン化率が高くなっており、活性部200のpn主接合の設計耐圧を確保できることがわかる。
From FIG. 16, it can be seen that, in Conventional Example A, the impact ionization rate at the end of the second stage field plate is high, and the breakdown voltage is determined at this portion. In contrast, in the
実施の形態1によれば、終端構造部300の主接合(逆バイアスされるpn接合)は、超接合基板24のpベース領域側ではなく、n型半導体基板層1と終端構造部300の下のp型仕切り領域8からなるpn接合になる。つまり、平面状の接合の電界上昇が現れる部位が、n型半導体基板層1と終端構造部300の下のp型仕切り領域8の界面となる。従って、超接合基板24のpベース領域側に電界集中による高電界部分が生じても、従来のような相乗効果が現れないので、活性部200のpn主接合の設計耐圧を確保することができる。
According to the first embodiment, the main junction (reversely biased pn junction) of the
実施の形態2.
(半導体装置の断面構成)
図19は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の要部の構成を示す断面図である。図19に示すように、実施の形態2の半導体装置110が実施の形態1と異なるのは、終端構造部300とn型半導体基板層1の間の半導体領域がp型仕切り領域25とn型ドリフト領域26からなる超接合層27になっていることである。そして、この終端構造部300の下の超接合層27は、平均濃度NAveが例えば1.0×1014cm-3程度のp型になっている。その他の構成は、実施の形態1と同じであるので、重複する説明を省略する。この場合も、平均濃度NAveが2.5×1014cm-3以下、好ましくは2.0×1014cm-3以下のp型になっていれば、高い耐圧が得られる。
(Cross-sectional configuration of semiconductor device)
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 19, the
(終端構造部下の超接合層の平均不純物濃度範囲)
平均濃度NAveは、終端構造部300とその下のn型半導体基板層1とに挟まれる超接合層27の体積をVEdgeとし、この超接合層27中のn型不純物およびp型不純物の総量をそれぞれN1およびN2(ただし、|N2|≧|N1|)とすると、次の(6)式で表される。
NAve=(|N2|−|N1|)/VEdge ・・・(6)
(Average impurity concentration range of super-junction layer under termination structure)
The average concentration N Ave is defined as the volume of the
N Ave = (| N 2 | − | N 1 |) / V Edge (6)
従って、実施の形態2では、終端構造部300とその下のn型半導体基板層1とに挟まれる超接合層27におけるp型仕切り領域25の厚さをtとすると、(4)式および(5)式は、それぞれ次の(7)式および(8)式のように書き換えられる。
NAve<εSi×Ecritical/(q×t) ・・・(7)
NAve<0.8×εSi×Ecritical/(q×t) ・・・(8)
Therefore, in the second embodiment, assuming that the thickness of the p-
N Ave <ε Si × E critical / (q × t) (7)
N Ave <0.8 × ε Si × E critical / (q × t) (8)
上記(7)式を満たすことにより、空乏層が終端構造部300の下のn型半導体基板層1から半導体装置110の第1主面に届く。また、上記(8)式を満たすと、空乏層が半導体装置110の第1主面に確実に届く。
By satisfying the above expression (7), the depletion layer reaches the first main surface of the
(半導体装置の平面構成)
図20〜図22は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の要部の構成を示す平面図である。これらの図は、pベース/ボディ領域5、n型チャネルストッパ領域10、および超接合層27のp型仕切り領域25とn型ドリフト領域26の各表面よりも上の構成を省略し、これらの領域の表面を示している。
(Planar configuration of semiconductor device)
20 to 22 are plan views showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. These figures omit the structures above the surfaces of the p base /
実施の形態2の半導体装置110では、図20に示すように、終端構造部300において、すべてのp型仕切り領域25またはn型ドリフト領域26が一方向にのみ伸びるストライプ状に形成されていてもよい。また、図21に示すように、終端構造部300において、p型仕切り領域25またはn型ドリフト領域26の伸びる方向が矩形状のチップの隣り合う辺で90°異なっていてもよい。さらに、図22に示すように、終端構造部300において、p型仕切り領域25またはn型ドリフト領域26の表面形状が円形状、すなわちp型仕切り領域25またはn型ドリフト領域26が円柱状に形成されていてもよい。
In the
(半導体装置の製造方法)
次に、半導体装置110の製造方法について説明する。ここでは、一例として、耐圧600Vの超接合型MOSFETの製造方法について、その終端構造部300を中心に説明する。図23〜図27は、製造段階の半導体装置110の要部断面図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the
n型半導体基板層1の上に、活性部200となる領域ではp型仕切り領域2とn型ドリフト領域3の超接合層4、終端構造部300の形成領域ではp型仕切り領域25とn型ドリフト領域26の超接合層27、および半導体装置110の切断面9となる領域ではn型ピラー領域11がそれぞれ形成された半導体基板を形成する。
On the n-type
このような半導体基板を簡便に形成する方法の一つとして、図23〜図27に示す方法がある。まず、不純物として例えば2.0×1018cm-3程度のアンチモンを含むn型Si半導体基板28の上に、例えば15Ωcm程度のn型半導体層29を例えば6〜10μm程度の厚さに成長させる(図23)。次いで、n型半導体層29の全面に例えばリンを1013cm-2オーダーのドーズ量でイオン注入する(図24)。図24において、符号30で示す領域は、リン等のn型不純物の注入領域である。
As one method for forming such a semiconductor substrate simply, there is a method shown in FIGS. First, on the n-type
次いで、リン等の注入面にフォトレジストを塗布し、そのフォトレジストの所定の箇所を開口させてマスク31とする。その際、終端構造部300の形成領域では、pベース/ボディ領域5が形成される箇所よりもマスク31の開口幅が広くなるように加工しておく。活性部200となる領域では、このマスク31の開口幅に対応してチャージバランスが取れるように所定濃度のボロン等のp型不純物をイオン注入する。
Next, a photoresist is applied to the implantation surface of phosphorus or the like, and a predetermined portion of the photoresist is opened to form a
上述したように、終端構造部300の形成領域では、マスク31の開口幅が広いので、終端構造部300の形成領域に注入されるボロン等の量がリン等の量よりも多くなる(図25)。図25において、符号32で示す領域は、ボロン等のp型不純物の注入領域である。この図24の工程と図25の工程を交互にそれぞれ5〜8回程度繰り返す(図26)。
As described above, since the opening width of the
その後、例えば1150℃で10時間程度の熱処理を行うことによって、上述したようなn型半導体基板層1上に、超接合層4,27のp型仕切り領域2,25およびn型ドリフト領域3,26と、n型ピラー領域11を有する超接合基板33ができあがる(図27)。この超接合基板33を用い、実施の形態1と同様にして、ゲート酸化膜、ゲート電極、フィールドプレート13,14、pベース/ボディ領域5、ソース領域、n型チャネルストッパ領域10、層間絶縁膜15、ソース電極6およびチャネルストッパ電極16を形成し(図10〜図12参照)、さらにパッシベーション膜17およびドレイン電極7を形成する。
Thereafter, for example, by performing a heat treatment at 1150 ° C. for about 10 hours, the p-
このようにして、図19に示すような超接合型MOSFETの活性部200と、多段フィールドプレート構造およびチャネルストッパ構造を有する終端構造部300が完成する。最後に、ダイサーによって、同一ウェハ内で隣り合うチャネルストッパ電極16の間の、半導体装置110が形成されていない領域で個々のチップに切り分けることによって、個々の超接合型MOSFETが完成する。
In this way, the superjunction MOSFET
実施の形態2によれば、終端構造部300における電界分布が実施の形態1とほぼ同様になる。従って、超接合基板33のpベース領域側に電界集中による高電界部分が生じても、従来のような相乗効果が現れないので、活性部200のpn主接合の設計耐圧を確保することができる。
According to the second embodiment, the electric field distribution in
実施の形態3.
(半導体装置の構成)
図28は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置の要部の構成を示す断面図である。図28に示すように、実施の形態3の半導体装置120が実施の形態1と異なるのは、活性部200においてpベース/ボディ領域5に接するn型ドリフト領域3がp型仕切り領域によって複数に分割されていないことである。活性部200のn型ドリフト領域3の濃度は、例えば2.5×1014cm-3程度である。終端構造部300の下のp型仕切り領域8の濃度は、例えば1.0×1014cm-3程度である。その他の構成は、実施の形態1と同じであるので、重複する説明を省略する。
(Configuration of semiconductor device)
FIG. 28 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 28, the
(半導体装置の製造方法)
次に、半導体装置120の製造方法について説明する。ここでは、一例として、耐圧600VのMOSFETの製造方法について、その終端構造部300を中心に説明する。図29〜図34は、製造段階の半導体装置120の要部断面図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the
n型半導体基板層1の上に、活性部200となる領域ではn型ドリフト領域3、終端構造部300の形成領域ではp型仕切り領域8、および半導体装置120の切断面9となる領域ではn型ピラー領域11がそれぞれ形成された半導体基板を形成する。このような半導体基板を簡便に形成する方法の一つとして、図29〜図34に示す方法がある。
On the n-type
まず、不純物として例えば2.0×1018cm-3程度のアンチモンを含むn型Si半導体基板28の上に、不純物として例えば2.5×1014cm-3程度のリンを含むn型半導体層34を例えば50μm程度の厚さにエピタキシャル成長させる(図29)。次いで、そのn型半導体層34の、終端構造部300の形成領域に該当する部分に、幅が例えば150μmで、深さが50μm程度のトレンチ35を形成する(図30)。
First, on an n-type
トレンチ35を形成するにあたっては、熱酸化を行ってn型半導体層34の表面に酸化膜を成長させ、この酸化膜の、終端構造部300の形成領域を開口させたマスク36を用い、RIE(反応性イオンエッチング)によりドライエッチングを行う。その際、トレンチエッチング前のマスク36の厚さを例えば約2.4μmにしておけば、マスク36は、トレンチエッチングによってエッチングされ、トレンチエッチング終了時に例えば約0.4μmの厚さで残る。
In forming the
トレンチエッチングには、例えばICP(誘導結合プラズマ)方式のプラズマエッチャーを用いる。エッチング条件は、例えば、HBrガス、SF6ガスおよびO2ガスの流量をそれぞれ40sccm、120sccmおよび120sccmとし、プラズマソースパワーを1200Wとし、バイアスパワーを140Wとし、圧力を3.3Paとし、エッチング時間を15分とする。 For trench etching, for example, an ICP (inductively coupled plasma) plasma etcher is used. Etching conditions are, for example, that the flow rates of HBr gas, SF 6 gas, and O 2 gas are 40 sccm, 120 sccm, and 120 sccm, the plasma source power is 1200 W, the bias power is 140 W, the pressure is 3.3 Pa, and the etching time is 15 minutes.
ここでは、ICP方式のRIEエッチングを例にしたが、これに限らず、所望の幅および深さのトレンチ35を形成することができれば、例えばECR(電子サイクロトロン共鳴)方式のプラズマエッチャーや、ボッシュ式トレンチエッチャーなどを用いてもよい。また、トレンチ35がn型Si半導体基板28とn型半導体層34の界面よりも例えば10μm程度まで浅くてもよいし、あるいは深くてもよい。
Here, the ICP type RIE etching is taken as an example. However, the present invention is not limited to this, and if a
次いで、トレンチ35内にp型不純物として例えば1.0×1014cm-3程度のボロンを含むp型半導体層37をエピタキシャル成長させる(図31)。その際、例えば約1000℃の常圧雰囲気中でTCS(トリクロロシラン)を原料に用いてp型半導体層37を成長させてもよいし、減圧雰囲気中でDCS(ジクロロシラン)を原料に用いてp型半導体層37を成長させてもよい。その場合のエピタキシャル成長レートは、例えば0.3〜3μm/minである。
Next, a p-
次いで、p型半導体層37の、マスク36の表面よりも盛り上がった部分を、例えばCMP(化学的機械研磨)により削り取る(図32)。その際、マスク36とした酸化膜がストッパとなるように、シリコン/酸化シリコンの選択比が十分に大きいスラリーを用いる。例えば、(株)フジミインコーポレーテッド製の高純度コロイダルシリカスラリーplanerlite−6103を用いる。そして、代表的な研磨条件として、トップリング圧力を300〜600hPaとし、テーブル回転数を50〜100rpmとする。この条件でのシリコン/酸化シリコンの選択比は約100倍である。なお、CMP等を行う前に熱酸化を行ってもよい。
Next, a portion of the p-
次いで、熱酸化を行う。この熱酸化では、p型半導体層37の酸化レートがマスク36とした酸化膜の酸化レートよりも速いので、p型半導体層37およびマスク36とした酸化膜の全面にわたって均一な酸化膜38が形成される(図33)。この酸化膜38の厚さは、例えば800nm程度でよい。
Next, thermal oxidation is performed. In this thermal oxidation, since the oxidation rate of the p-
次いで、HFウェット洗浄によるエッチングによって酸化膜38を除去する。図33の熱酸化工程を行わずにHFエッチングを行って、トレンチエッチングの際にマスク36とした酸化膜を除去してもよいが、その場合には、n型半導体層34の表面とp型半導体層37の表面の間に、マスク36の厚さ(例えば、0.4μm)に相当する段差が生じる。図33の熱酸化工程を行うことによって、酸化膜38を除去した後に段差のない平坦な表面が得られる。
Next, the
このようにして、n型半導体基板層1上にn型ドリフト領域3、n型ピラー領域11およびp型仕切り領域8を有するエピタキシャル基板39ができあがる(図34)。このエピタキシャル基板39を用い、実施の形態1と同様にして、ゲート酸化膜、ゲート電極、フィールドプレート13,14、pベース/ボディ領域5、ソース領域、n型チャネルストッパ領域10、層間絶縁膜15、ソース電極6およびチャネルストッパ電極16を形成し(図10〜図12参照)、さらにパッシベーション膜17およびドレイン電極7を形成する。
In this way, an
このようにして、図28に示すようなMOSFETの活性部200と、多段フィールドプレート構造およびチャネルストッパ構造を有する終端構造部300が完成する。最後に、ダイサーによって、同一ウェハ内で隣り合うチャネルストッパ電極16の間の、半導体装置120が形成されていない領域で個々のチップに切り分けることによって、個々のMOSFETが完成する。
In this way, the MOSFET
(終端構造部下のp型仕切り領域の平面形状)
図35は、終端構造部下のp型仕切り領域の平面形状を示す平面図であり、図36は、そのp型仕切り領域の角になる部分を拡大した図である。図35に示すように、終端構造部300の下のp型仕切り領域8は、活性部200の周囲を囲むように配置される。このp型仕切り領域8の角になる部分の幅が直線部分の幅と同じであると、終端構造部300での電界集中が起こりにくくなり、理想的である。従って、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の幅は、角の部分も直線部分も同じであるとよい。
(Planar shape of the p-type partition region under the termination structure)
FIG. 35 is a plan view showing a planar shape of the p-type partition region under the termination structure portion, and FIG. 36 is an enlarged view of a corner portion of the p-type partition region. As shown in FIG. 35, the p-
しかし、上述した製造プロセスのように、トレンチ35内にp型仕切り領域8となるp型半導体層37をエピタキシャル成長させる場合、トレンチ側壁の面方位が(100)であるときに最も成長レートが高くなり、それ以外の面方位では成長レートが低くなる。従って、図35に示すp型仕切り領域8の直線部分のトレンチ側壁の面方位を(100)に設定してエピタキシャル成長を行うと、p型仕切り領域8の角になる部分のトレンチ側壁の面方位は(100)ではないので、その角になる部分でのエピタキシャル成長レートが低くなってしまう。
However, when the p-
そのため、トレンチ35内をp型半導体層37で完全に埋めるまでに時間がかかってしまうことがある。そこで、図36に示すように、p型仕切り領域8の角になる部分のトレンチ形状を、円弧状ではなく、階段状とする。p型仕切り領域8の角になる部分のトレンチ形状を階段状にすると、円弧状である場合に比べて、p型半導体層37のエピタキシャル成長レートが高くなる。つまり、短時間でトレンチ35をp型半導体層37で埋めることができるので、スループットが向上し、生産性がよくなる。
Therefore, it may take time until the
(従来例との比較)
実施の形態3の半導体装置と従来構成の半導体装置(従来例Bとする)について、耐圧を調べた結果を図37に示す。また、アバランシェ降伏時の電位分布、電界分布およびインパクトイオン化率をシミュレーションによって比較した結果をそれぞれ図38、図39および図40に示す。なお、図41に示すように、従来例Bの半導体装置2000は、終端構造部300とその下のn型半導体基板層1の間の半導体領域2008の導電型をn型にした以外は、実施の形態3の半導体装置120と同じ構造のものである。
(Comparison with conventional example)
FIG. 37 shows the results of examining the breakdown voltage of the semiconductor device of the third embodiment and the semiconductor device having the conventional configuration (conventional example B). In addition, the results of comparing the potential distribution, electric field distribution, and impact ionization rate during avalanche breakdown by simulation are shown in FIGS. 38, 39, and 40, respectively. As shown in FIG. 41, the
図37より、実施の形態3の半導体装置120の耐圧は、従来例Bよりも高いアバランシェ降伏電圧を示すことがわかる。また、図38より、実施の形態3の半導体装置120および従来例Bのいずれでも、電位面がフィールドプレート端で曲率を有しており、それら曲率の部分の電界が高くなっていることが予想される。しかし、図39より、実施の形態3の半導体装置120のフィールドプレート端の電界強度は、従来例Bのフィールドプレート端の電界強度よりも低いことがわかる。
From FIG. 37, it can be seen that the breakdown voltage of the
これは、実施の形態3の半導体装置120では、電圧を支える主接合面がn型半導体基板層1と終端構造部300の下のp型仕切り領域8の界面にあり、pベース/ボディ領域5が形成されている第1主面に向かって電界強度が低下している。それに対して、従来例Bでは、終端構造部300の下の半導体領域2008がn型であるため、電圧を支える主接合面がn型半導体領域2008の表面層、すなわちpベース/ボディ領域5の形成面にある。従って、従来例Bでは、平面接合の電界上昇と、電界集中による高電界部分ができることの相乗効果が現れてしまう。
This is because, in the
図40より、従来例Bでは、2段目フィールドプレート端でのインパクトイオン化率が高くなっており、この部分で耐圧が決定されていることがわかる。それに対して、実施の形態3の半導体装置120では、活性部200においてインパクトイオン化率が高くなっており、活性部200のpn主接合の設計耐圧を確保できることがわかる。
From FIG. 40, it can be seen that in Conventional Example B, the impact ionization rate at the end of the second stage field plate is high, and the breakdown voltage is determined at this portion. On the other hand, in the
実施の形態3によれば、終端構造部300における電界分布が実施の形態1とほぼ同様になる。従って、エピタキシャル基板39のpベース領域側に電界集中による高電界部分が生じても、従来のような相乗効果が現れないので、活性部200のpn主接合の設計耐圧を確保することができる。
According to the third embodiment, the electric field distribution in
実施の形態4.
(半導体装置の構成)
図42は、本発明の実施の形態4にかかる半導体装置の要部の構成を示す断面図である。図42に示すように、実施の形態4は実施の形態3の変形例である。実施の形態4の半導体装置130が実施の形態3と異なるのは、n型半導体基板層1と終端構造部300の下のp型仕切り領域8との間に数百〜千数百nm程度の厚さの絶縁層である酸化シリコンよりなる酸化膜層40が設けられていることである。その他の構成は、実施の形態3と同じであるので、重複する説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
(Configuration of semiconductor device)
FIG. 42 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 42, the fourth embodiment is a modification of the third embodiment. The
(半導体装置の製造方法)
次に、半導体装置130の製造方法について説明する。ここでは、一例として、耐圧600VのMOSFETの製造方法について、その終端構造部300を中心に説明する。図43〜図48は、製造段階の半導体装置130の要部断面図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the
n型半導体基板層1の上に、活性部200となる領域ではn型ドリフト領域3、終端構造部300の形成領域ではp型仕切り領域8、および半導体装置130の切断面9となる領域ではn型ピラー領域11がそれぞれ形成された半導体基板を形成する。このような半導体基板を簡便に形成する方法の一つとして、図43〜図48に示す方法がある。
On the n-type
まず、不純物として例えば2.0×1018cm-3程度のアンチモンを含むn型Si半導体基板28と、不純物として例えば1.0×1014cm-3程度のボロンを含むp型半導体層41の間に、数百nm程度の厚さの酸化膜層40が挟まれたSOI基板42を用意する(図43)。その際、p型半導体層41の厚さを所望のn型ドリフト領域3の厚さにすることが望ましい。
First, an n-type
次いで、熱酸化を行って、p型半導体層41の表面に所定の厚さの酸化膜を成長させる。そして、その酸化膜の、活性部200およびn型ピラー領域11に該当する部分を開口してマスク43とし、周知のトレンチエッチング技術によりp型半導体層41にトレンチ44を形成する(図44)。その際、トレンチエッチング技術として、異方性ドライエッチングや、{111}面SOI基板42の異方性湿式エッチングを行うことによって、トレンチ44の側壁の角度は、n型Si半導体基板28の主面に対して90°またはほぼ90°になる。
Next, thermal oxidation is performed to grow an oxide film having a predetermined thickness on the surface of the p-
次いで、トレンチ44の底に残る酸化膜層40を除去する(図45)。p型半導体層41の、トレンチエッチング後に残った部分と、n型Si半導体基板28の間には、酸化膜層40が残る。次いで、トレンチ44内に不純物として例えば2.5×1014cm-3程度のリンを含むn型半導体層45をエピタキシャル成長させる(図46)。
Next, the
次いで、マスク43とした酸化膜をストッパとして、n型半導体層45の、マスク43の表面よりも盛り上がった部分を、例えばCMPにより削り取る(図47)。なお、CMP等を行う前に熱酸化を行ってもよい。次いで、熱酸化を行い、n型半導体層45およびマスク43とした酸化膜の全面にわたって例えば800nm程度の均一な厚さの酸化膜を形成する。この酸化膜を除去することによって、段差のない平坦な表面が得られる。
Next, using the oxide film as the
このようにして、n型半導体基板層1上にn型ドリフト領域3、n型ピラー領域11、酸化膜層40およびp型仕切り領域8を有する部分SOI基板46ができあがる(図48)。この部分SOI基板46を用い、実施の形態1と同様にして、ゲート酸化膜、ゲート電極、フィールドプレート13,14、pベース/ボディ領域5、ソース領域、n型チャネルストッパ領域10、層間絶縁膜15、ソース電極6およびチャネルストッパ電極16を形成し(図10〜図12参照)、さらにパッシベーション膜17およびドレイン電極7を形成する。
In this way, a
このようにして、図42に示すようなMOSFETの活性部200と、多段フィールドプレート構造およびチャネルストッパ構造を有する終端構造部300が完成する。最後に、ダイサーによって、同一ウェハ内で隣り合うチャネルストッパ電極16の間の、半導体装置130が形成されていない領域で個々のチップに切り分けることによって、個々のMOSFETが完成する。
In this way, the MOSFET
実施の形態4によれば、終端構造部300における電界分布が実施の形態1とほぼ同様になる。従って、部分SOI基板46のpベース領域側に電界集中による高電界部分が生じても、従来のような相乗効果が現れないので、活性部200のpn主接合の設計耐圧を確保することができる。また、n型ドリフト領域3の厚さの精度が実施の形態3よりも高い。なお、酸化膜層40に代えて、n型半導体基板層1と終端構造部300の下のp型仕切り領域8との間に、n型半導体基板層1よりも濃度の低いn型低濃度層を設けてもよい。
According to the fourth embodiment, the electric field distribution in
実施の形態5.
(半導体装置の構成)
図49は、本発明の実施の形態5にかかる半導体装置の要部の構成を示す断面図である。図49に示すように、実施の形態5は実施の形態4の変形例である。実施の形態5の半導体装置140が実施の形態4と異なるのは、終端構造部300の下のp型仕切り領域8がフィールドプレート構造が設けられた側からn型半導体基板層1の側へ向かって広がっていることである。
(Configuration of semiconductor device)
FIG. 49 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 49, the fifth embodiment is a modification of the fourth embodiment. The
活性部200のn型ドリフト領域3およびn型ピラー領域11と、終端構造部300の下のp型仕切り領域8との境界面は、n型半導体基板層1の主面に対して55°またはほぼ55°の角度をなして傾いている。この境界部分では、n型ドリフト領域3およびn型ピラー領域11がp型仕切り領域8の上になっている。その他の構成は、実施の形態4と同じであるので、重複する説明を省略する。
The boundary surface between the n-
(半導体装置の製造方法)
半導体装置140の製造方法は、実施の形態4と同じである。ただし、実施の形態4の図44に示すトレンチ形成工程において、トレンチ44を、その側壁がn型Si半導体基板28の主面に対して55°またはほぼ55°の角度で傾くように形成する。そのためには、{111}面SOI基板42の異方性湿式エッチングを行うようにすればよく、異方性湿式エッチングを行った場合、54.7°の角度となる。実施の形態5によれば、実施の形態4と同様の効果が得られる。
(Method for manufacturing semiconductor device)
The manufacturing method of the
実施の形態6.
(半導体装置の構成)
図50は、本発明の実施の形態6にかかる半導体装置の要部の構成を示す断面図である。図50に示すように、実施の形態6は実施の形態3の変形例である。実施の形態6の半導体装置150が実施の形態3と異なるのは、終端構造部300の下の半導体層が、p型仕切り領域8と、活性部200から伸びるn型ドリフト領域3およびn型ピラー領域11とで形成されていることである。
(Configuration of semiconductor device)
FIG. 50 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 50, the sixth embodiment is a modification of the third embodiment. The
n型ドリフト領域3およびn型ピラー領域11とp型仕切り領域8との境界面は、終端構造部300の下に位置し、p型仕切り領域8、n型ドリフト領域3およびpベース/ボディ領域5などの半導体層の主面に対して55°またはほぼ55°の角度をなして傾いている。この境界部分では、p型仕切り領域8がn型ドリフト領域3およびn型ピラー領域11の上になっている。また、p型仕切り領域8は、n型半導体基板層1に達している。その他の構成は、実施の形態3と同じであるので、重複する説明を省略する。
The boundary surface between n-
(半導体装置の製造方法)
次に、半導体装置150の製造方法について説明する。ここでは、一例として、耐圧600VのMOSFETの製造方法について、その終端構造部300を中心に説明する。図51〜図55は、製造段階の半導体装置150の要部断面図である。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing the
n型半導体基板層1の上に、n型ドリフト領域3、p型仕切り領域8およびn型ピラー領域11が上述した断面形状をなすように形成された半導体基板を形成する。このような半導体基板を簡便に形成する方法の一つとして、図51〜図55に示す方法がある。
On the n-type
まず、不純物として例えば2.0×1018cm-3程度のアンチモンを含むn型Si半導体基板28の上に、不純物として例えば2.5×1014cm-3程度のリンを含むn型半導体層34を成長させる(図29参照)。実施の形態6では、n型Si半導体基板28として、面方位が{100}である基板を用いる。
First, on an n-type
次いで、熱酸化を行って、n型半導体層34の表面に所定の厚さの酸化膜を成長させ、その酸化膜の、終端構造部300に該当する部分を開口してマスク47とする。そして、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)等を用いて、{111}面が露出するように湿式異方性エッチングを行い、n型半導体層34に断面形状がV字状の溝(以下、V溝とする)48を形成する(図51)。V溝48は基板面に対して54.7°(約55°)である。V溝48の底はn型Si半導体基板28に達していてもよいし、達していなくてもよい。ここで、TMAH水溶液はマイクロピラミットの形成を避けつつ、エッチングレートを確保するために、濃度10wt%の液を用い、エッチングは80℃で行った。この時のエッチングレートは0.5μm/minであった。TMAH水溶液によるエッチングでは(100)、(110)面に比べて(111)面のエッチングレートが1/100程度であり、自然に(111)面が形成され、(111)面が形成された時点でエッチングがほとんど進まなくなる。そのため、再現性のよいV溝の形成が可能となった。酸化膜の開口幅を100μmとするとV溝の深さは約70μmとなった。また、シリコン半導体基板と熱酸化による酸化膜とのエッチングレートの比が10000であり、V溝形成時においては、数nm程度しかエッチングされない。よって、酸化膜厚としては、RIEでの異方性エッチングによって溝を形成する場合に比べ薄くすることができ、100nmの厚さでよい。
Next, thermal oxidation is performed to grow an oxide film having a predetermined thickness on the surface of the n-
次いで、V溝48内にp型不純物として例えば1.0×1014cm-3程度のボロンを含むp型半導体層49をエピタキシャル成長させる(図52)。エピタキシャル成長はトリクロロシラン又はジクロロシランをシリコン原料とし、ドーパントガスとしてジボラン(B2H6)を用い、更に同時に塩化水素(HCl)を供給することで酸化膜上へのポリシリコンの成長を抑制しV溝部のみにエピタキシャル成長させた。このことにより、良質なV溝の埋め込みが可能になると共に、後のCMPによる半導体基板表面の平坦化が容易になった。成長温度は950℃〜1100℃がエピタキシャル成長レート0.3〜3μm/minを確保でき望ましい。V溝への埋め込みのため、埋め込みの際にボイドの形成が起こらないことも利点である。垂直な溝であると、トレンチ開口部分が埋め込みの途中で閉じてしまってボイドの発生が起こり特性・プロセス上好ましくないことがある。次いで、マスク47とした酸化膜をストッパとして、p型半導体層49の、マスク47の表面よりも盛り上がった部分を、例えばCMPにより削り取る(図53)。研磨の方法は、CMPを用い、酸化膜がストッパとなるようシリコンと酸化膜のエッチング選択比が十分大きいスラリを用いるのが有効であった。例えば、(株)フジミインコーポレーテッド製の高純度コロイダルシリカスラリPlanerlite-6103を用い、研磨条件トップリング圧力=300〜600hPa、テーブル回転数50〜100r/minとした。この条件でのシリコン/酸化膜の選択比は約100倍であった。なお、CMP等を行う前に熱酸化を行ってもよい。次いで、熱酸化を行い、p型半導体層49およびマスク47とした酸化膜の全面にわたって例えば800nm程度の均一な厚さの酸化膜を形成する。この酸化膜を除去することによって、段差のない平坦な表面が得られる。
Next, a p-
このようにして、n型半導体基板層1上にn型ドリフト領域3、n型ピラー領域11およびp型仕切り領域8を有するエピタキシャル基板50ができあがる(図55)。このエピタキシャル基板50を用い、実施の形態1と同様にして、ゲート酸化膜、ゲート電極、フィールドプレート13,14、pベース/ボディ領域5、ソース領域、n型チャネルストッパ領域10、層間絶縁膜15、ソース電極6およびチャネルストッパ電極16を形成し(図10〜図12参照)、さらにパッシベーション膜17およびドレイン電極7を形成する。
Thus, the
このようにして、図50に示すようなMOSFETの活性部200と、多段フィールドプレート構造およびチャネルストッパ構造を有する終端構造部300が完成する。最後に、ダイサーによって、同一ウェハ内で隣り合うチャネルストッパ電極16の間の、半導体装置150が形成されていない領域で個々のチップに切り分けることによって、個々のMOSFETが完成する。
In this manner, the MOSFET
実施の形態6によれば、実施の形態3と同様の効果が得られる。なお、p型仕切り領域8は、n型半導体基板層1に達していてもよいし、達していなくてもよい。さらには、p型仕切り領域8とn型ドリフト領域3との境界面が、p型仕切り領域8、n型ドリフト領域3およびpベース/ボディ領域5などの半導体層の主面に対して90°またはほぼ90°の角度をなしていてもよい。
According to the sixth embodiment, the same effect as in the third embodiment can be obtained. Note that the p-
(実施の形態3〜6を適用したダイオードと従来例との比較)
実施の形態3〜6において活性部200にMOSFETの代わりにダイオードを形成したものと、図41に示す従来例Bを適用したダイオードとを比較した結果について説明する。耐圧を調べた結果を図56に示す。図56より、実施の形態3〜6を適用したダイオードの耐圧は、いずれも従来例Bを適用したダイオードよりも高い耐圧を示すことがわかる。
(Comparison between the diode to which the third to sixth embodiments are applied and the conventional example)
A description will be given of a result of comparison between the third to sixth embodiments in which a diode is formed in the
また、アバランシェ降伏時のキャリア発生状況をシミュレートした結果を図57に示す。図57においては、上から順に従来例B、実施の形態3、実施の形態4、実施の形態5および実施の形態6をそれぞれ適用したダイオードの結果である。図57より、従来例Bを適用したダイオードでは、終端構造部300の下の半導体領域2008(フィールドプレート端部)において多くのキャリアが発生していることがわかる。このことから、終端構造部300でアバランシェ降伏しているといえる。
FIG. 57 shows the result of simulating the carrier generation state at the time of avalanche breakdown. FIG. 57 shows the results of the diodes to which Conventional Example B,
それに対して、実施の形態3〜6を適用したダイオードでは、いずれもpベース/ボディ領域5の下の活性部200において多くのキャリアが発生していることがわかる。このことから、活性部200でアバランシェ降伏しているといえる。従って、実施の形態3〜6によれば、活性部200のpn主接合の設計耐圧を確保した半導体装置が得られることがわかる。
On the other hand, in the diodes to which the third to sixth embodiments are applied, it can be seen that many carriers are generated in the
実施の形態7.
実施の形態7は、実施の形態3のエピタキシャル基板39を別の方法で製造するものである。図58〜図60は、実施の形態7による製造段階のエピタキシャル基板39の要部断面図である。まず、実施の形態3と同様にして、n型Si半導体基板28の上に例えば50μmの厚さのn型半導体層34をエピタキシャル成長させる(図29参照)。
In the seventh embodiment, the
次いで、実施の形態3と同様にして、終端構造部300の形成領域において、幅が例えば150μmとなる領域に、例えば2μmの幅のトレンチ51を例えば1μmのトレンチ間距離で50本形成する。この場合、トレンチのピッチは3μmとなる。トレンチ51の深さは、例えば50μmである(図58)。このように幅の狭いトレンチ51を複数形成することによって、幅の広いトレンチを形成する場合に生じやすいトレンチエッチング時の反応生成物の発生量を抑えることができる。
Next, in the same manner as in the third embodiment, 50
従って、ブラックシリコンと呼ばれる柱状の突起物の生成を抑えることができるので、コストが安く、かつエッチング欠陥が生じないトレンチエッチングプロセスを実現できる。一般に、ブラックシリコンが発生すると、デバイスの特性が劣化する。ブラックシリコンの発生を防ぐためには、トレンチエッチング装置のチャンバー内を頻繁にクリーニングする必要があり、コストの増大を招く。 Therefore, since the generation of columnar protrusions called black silicon can be suppressed, it is possible to realize a trench etching process that is low in cost and free from etching defects. In general, when black silicon is generated, device characteristics deteriorate. In order to prevent the generation of black silicon, it is necessary to frequently clean the inside of the chamber of the trench etching apparatus, resulting in an increase in cost.
トレンチ51の形成後、熱酸化を行う。上述したように、トレンチ間に残るn型半導体層34よりなるシリコン柱の幅が1μmであるので、厚さ1μmの熱酸化を行うことによって、シリコン柱は完全に酸化シリコンとなる。それによって、トレンチ51が酸化シリコンで埋まり、終端構造部300の形成領域に例えば幅が150μmで、深さが50μmの酸化物領域52ができる(図59)。
After the
次いで、酸化物領域52を除く領域の上にレジスト膜などを被せてその下の酸化膜を保護し、その状態でHFによるウェットエッチングを行い、酸化物領域52を除去する。このようにして、終端構造部300の形成領域に、図30のトレンチ35と同様の凹部53ができる(図60)。これ以降は、図31〜図34のプロセスに従うことによって、図34に示すエピタキシャル基板39が得られる。
Next, a region other than the
実施の形態8.
実施の形態8は、実施の形態3のエピタキシャル基板39を別の方法で製造するものである。図61〜図64は、実施の形態8による製造段階のエピタキシャル基板39の要部断面図である。まず、実施の形態3と同様にして、n型Si半導体基板28の上に例えば50μmの厚さのn型半導体層34をエピタキシャル成長させる(図29参照)。n型半導体層34の平均不純物濃度は、例えば2.5×1014cm-3程度である。
In the eighth embodiment, the
次いで、実施の形態3と同様にして、終端構造部300の形成領域において、幅が例えば150μmとなる領域に、例えば5μmの幅のトレンチ54を例えば5μmのトレンチ間距離で15本形成する。この場合、トレンチ54のピッチは10μmとなる。トレンチ54の深さは、例えば50μmである(図61)。次いで、実施の形態3と同様にして、トレンチ54内にp型不純物として例えば3.5×1014cm-3程度のボロンを含むp型半導体層55をエピタキシャル成長させる(図62)。
Next, in the same manner as in the third embodiment, 15
次いで、実施の形態3と同様にして、トレンチエッチングの際にマスク36とした酸化膜をストッパとして、p型半導体層55の、マスク36の表面よりも盛り上がった部分を、例えばCMPにより削り取る(図63)。なお、CMP等を行う前に熱酸化を行ってもよい。次いで、例えば1150°で3時間の熱処理を行って、p型半導体層55に含まれるp型不純物(ここでは、ボロン)を拡散させる。
Next, in the same manner as in the third embodiment, the portion of the p-
この拡散条件で熱処理を行うことにより、p型不純物の拡散距離が約3μmになり、p型半導体層55に含まれていたp型不純物が、トレンチ間に残っていたn型半導体層34よりなるシリコン柱の中に拡散する。そして、終端構造部300の形成領域に例えば幅が150μmで、深さが50μmのp型仕切り領域8が形成される。p型仕切り領域8の平均不純物濃度は、例えば1.0×1014cm-3程度になる。
By performing the heat treatment under this diffusion condition, the diffusion distance of the p-type impurity becomes about 3 μm, and the p-type impurity contained in the p-
この熱処理によって、トレンチ54内に埋め込まれたp型半導体層55の表面に例えば約0.4μmの厚さの酸化膜56が成長する(図64)。次いで、HFによるウェットエッチングを行い、トレンチエッチングの際にマスク36とした酸化膜と拡散熱処理によって生じた酸化膜56を除去する。このようにして、図34に示すエピタキシャル基板39が得られる。
By this heat treatment, an
なお、n型半導体層34とp型半導体層55の不純物濃度は、上記値に限らない。上述した製造プロセスによって作製されたエピタキシャル基板39を用いてMOSFETデバイスを作製したときに、その最終段階において、終端構造部300の下のp型仕切り領域8の不純物濃度が1.0×1014cm-3程度になればよい。
Note that the impurity concentrations of the n-
また、上述した製造プロセスでは、図64の工程でp型不純物の拡散を行うとしたが、この工程を省略し、上述した製造プロセスによって作製されたエピタキシャル基板39を用いてMOSFETデバイスを作製する際の熱処理工程でp型半導体層55中のp型不純物の拡散を行うようにしてもよい。つまり、エピタキシャル基板39を作製する段階からMOSFETデバイスが完成する段階までの全過程を通したサーマルバジェットを合わせて、最終的に所望のp型仕切り領域8が形成されていればよい。
In the manufacturing process described above, the p-type impurity is diffused in the step of FIG. 64. However, when this step is omitted and a MOSFET device is manufactured using the
図61の工程で形成されるトレンチ54の平面形状について説明する。図65に示すパターンは、終端構造部300の角部において、隣り合うトレンチ54を平行なまま円弧状に90°湾曲させたものである。ただし、このパターンでは、実施の形態3において説明したように、トレンチ側面の面方位が、エピタキシャル成長レートの低い面方位になり、トレンチ54内をp型半導体層55で完全に埋めるまでに時間がかかってしまうことがある。これを回避するには、図66または図67に示すパターンにするのがよい。なお、上述した製造プロセスの説明においてトレンチ54を例えば15本形成するとしたが、図65〜図67では、図が繁雑になるのを避けるため、15本全部を示さずに、一部を省略している。
The planar shape of the
図66に示すパターンは、すべてのトレンチ54の長手方向を同一の方向とし、終端構造部300の角部において、隣り合うトレンチ54の終端の位置を少しずつずらすことによって、複数のトレンチ54を束ねたトレンチ全体の形成領域を円弧状に90°湾曲させたものである。図67に示すパターンは、すべてのトレンチ54の長手方向を、半導体装置の切断面9(同図に一点鎖線で示す)に対して90°の角度をなす方向とし、終端構造部300の角部のトレンチ54については、その長手方向を隣り合う切断面9のいずれか一方の切断面9に対して90°の角度をなす方向としたものである。
In the pattern shown in FIG. 66, the longitudinal directions of all the
図66または図67に示すパターンであれば、すべてのトレンチ側壁がエピタキシャル成長レートの高い面方位になるので、短時間ですべてのトレンチ54をp型半導体層55で埋めることができる。また、図67に示すパターンでは、高温熱処理を行うことが困難である場合に、終端構造部300の下にn型ドリフト領域となるn型半導体層34が残ってしまっても、電界集中が起こり難い理想的な終端構造が得られる。
With the pattern shown in FIG. 66 or 67, all trench sidewalls have a plane orientation with a high epitaxial growth rate, so that all
なお、図61の工程で、例えば7μmの幅のトレンチ54を例えば5μmのトレンチ間距離で形成し、トレンチ間に残るn型半導体層34の平均不純物濃度と、図62の工程でトレンチ54を埋めるp型半導体層55の平均不純物濃度を同じになるようにしてもよい。このようにしても、上述した製造プロセスの場合と同様に、電界集中が起こり難い理想的な終端構造を作製することができる。
61, for example, a
実施の形態9.
実施の形態9は、実施の形態3のエピタキシャル基板39を別の方法で製造するものである。図68〜図73は、実施の形態9による製造段階のエピタキシャル基板39の要部断面図である。まず、不純物として例えば2.0×1018cm-3程度のアンチモンを含むn型Si半導体基板28の上に、不純物として例えば1.0×1014cm-3程度のボロンを含むp型半導体層57を例えば50μm程度の厚さにエピタキシャル成長させる(図68)。
In the ninth embodiment, the
次いで、実施の形態3と同様にして、p型半導体層57の、活性部200となる領域と、チップの切断面9となる箇所に接する部分にトレンチ58,59を形成する(図69)。活性部200となる領域のトレンチ58については、その幅および奥行きが例えば3mmであり、深さが例えば50μm程度である。チップの切断面9となる箇所に接する部分のトレンチ59については、その幅が例えば20μm以上であり、深さは例えば50μm程度である。
Next, in the same manner as in the third embodiment,
トレンチエッチングを行う際には、例えば酸化膜をマスク60として用いる。なお、トレンチ58,59がn型Si半導体基板28とp型半導体層57の界面よりも例えば10μm程度まで浅くてもよいし、あるいは深くてもよい。
When performing trench etching, for example, an oxide film is used as the
次いで、実施の形態3と同様にして、トレンチ58,59内にn型不純物として例えば2.5×1014cm-3程度のリンまたは砒素を含むn型半導体層61をエピタキシャル成長させる(図70)。次いで、実施の形態3と同様にして、トレンチエッチングの際にマスク60とした酸化膜をストッパとして、n型半導体層61の、マスク60の表面よりも盛り上がった部分を、例えばCMPにより削り取る(図71)。なお、CMP等を行う前に熱酸化を行ってもよい。
Next, in the same manner as in the third embodiment, an n-
次いで、実施の形態3と同様にして、熱酸化を行い、n型半導体層61およびマスク60とした酸化膜の全面にわたって均一な厚さの酸化膜62を形成する(図72)。そして、実施の形態3と同様にして、この酸化膜62を除去することによって、段差のない平坦な表面が得られる。このようにして、n型半導体基板層1上にn型ドリフト領域3、n型ピラー領域11およびp型仕切り領域8を有するエピタキシャル基板39ができあがる(図73、図34)。
Next, in the same manner as in the third embodiment, thermal oxidation is performed to form an
図74は、終端構造部下の半導体(p型仕切り領域およびn型ピラー領域)の平面形状を示す平面図である。図74に示すように、終端構造部300の下のp型仕切り領域8は、活性部200の回りを囲むように配置される。このp型仕切り領域8の角になる部分が直線部分と同じ例えば150μmの幅であると、電界集中が起こりにくい理想的な終端構造が得られる。なお、n型ピラー領域11の幅が20μm以上であれば、空乏層を止めるストッパとして有効であるが、n型ピラー領域11の幅をさらに広くしてチップの切断面9、すなわちスクライブラインまで達するようにしてもよい。
FIG. 74 is a plan view showing a planar shape of the semiconductor (p-type partition region and n-type pillar region) under the termination structure portion. As shown in FIG. 74, the p-
また、実施の形態7において、実施の形態9と同様に、n型Si半導体基板上にp型半導体層をエピタキシャル成長させ、そのp型のエピタキシャル成長層に幅の狭いトレンチを複数形成し、熱酸化によって酸化物領域を形成し、その酸化物領域を除去してできた凹部にn型半導体をエピタキシャル成長させることによって、n型ドリフト領域とn型ピラー領域を形成するようにしてもよい。さらに、実施の形態8において、実施の形態9と同様に、n型Si半導体基板上にp型半導体層をエピタキシャル成長させ、そのp型のエピタキシャル成長層に幅の狭いトレンチを複数形成し、エピタキシャル成長を行ってトレンチをn型半導体で埋め、n型不純物を熱拡散させることによって、n型ドリフト領域とn型ピラー領域を形成するようにしてもよい。 In the seventh embodiment, similarly to the ninth embodiment, a p-type semiconductor layer is epitaxially grown on an n-type Si semiconductor substrate, a plurality of narrow trenches are formed in the p-type epitaxial growth layer, and thermal oxidation is performed. An n-type drift region and an n-type pillar region may be formed by forming an oxide region and epitaxially growing an n-type semiconductor in a recess formed by removing the oxide region. Further, in the eighth embodiment, similarly to the ninth embodiment, a p-type semiconductor layer is epitaxially grown on an n-type Si semiconductor substrate, a plurality of narrow trenches are formed in the p-type epitaxial growth layer, and epitaxial growth is performed. Alternatively, the n-type drift region and the n-type pillar region may be formed by filling the trench with an n-type semiconductor and thermally diffusing the n-type impurity.
以上において本発明は、上述した各実施の形態1〜9に限らず、種々変更可能である。例えば、上述した実施の形態1〜9では、活性部200をn型半導体層で構成したものと、複数のn型ドリフト領域とp型仕切り領域とからなる超接合層で構成したものについて説明したが、これらに限らず、終端構造部300の下の仕切り領域の導電型が活性部200のドリフト領域の導電型と異なっていれば、いかなる組み合わせにおいても同様の効果が得られる。また、終端構造を、多段フィールドプレート構造に代えて、従来からあるフィールドリミッティングリング構造や、フィールドリミッティングリング構造とフィールドプレート構造を併用したものや、リサーフ構造としても、同様の効果が得られる。
In the above, this invention is not restricted to each Embodiment 1-9 mentioned above, A various change is possible. For example, in the above-described first to ninth embodiments, the
さらに、MOSFETに限らず、IGBTやダイオードが形成されていてもよい。また、各実施の形態1〜9中に記載した寸法、濃度、温度、圧力、時間、回転数などは一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、本発明は、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 Furthermore, not only MOSFET but IGBT and diode may be formed. Moreover, the dimension, density | concentration, temperature, pressure, time, rotation speed etc. which were described in each Embodiment 1-9 are examples, and this invention is not limited to those values. Further, the present invention is similarly established when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type.
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、電力変換装置用の半導体装置に有用である。 As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for a semiconductor device for a power conversion device.
1 半導体基板層
2,8,25 第2導電型半導体領域
3,26 第1導電型半導体領域
5 第2導電型ベース領域
6 第1主電極
7 第2主電極
9 チップの切断面
10 第1導電型チャネルストッパ領域
11 第1導電型ピラー領域
12 絶縁膜
13,14 フィールドプレート構造
16 チャネルストッパ電極
28 第1導電型半導体基板
34,61 第1導電型半導体
35,51,54,58,59 トレンチ
37,55,57 第2導電型半導体
40 絶縁層
52 酸化物
53 凹部
100,110,120,130,140,150 半導体装置
200 活性部領域
300 終端構造部領域
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記半導体基板の表面側に選択的に形成された第2導電型ベース領域と、該半導体基板の裏面側の第1導電型半導体基板層と、該第1導電型半導体基板層と該第2導電型ベース領域の間であって該第1導電型半導体基板層よりも低不純物濃度の第1導電型ドリフト層とからなる活性部領域と、
前記第2導電型ベース領域に電気的に接続された第1主電極と、
前記半導体基板の切断面に沿った外周四面に形成される第1導電型ピラー領域と、
前記活性部領域を囲み、かつ該活性部領域から第1導電型ピラー領域までの間すべてと該半導体基板の表面から前記第1導電型半導体基板層までの間すべてとにかけて形成される第2導電型半導体領域を有する終端構造部と、
前記半導体基板の裏面側に電気的に接続された第2主電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A vertical semiconductor device that allows current to flow in the thickness direction of a semiconductor substrate,
Wherein the second conductive type base region selectively formed on the surface side of the semiconductor substrate, the and the back side first conductivity type semiconductor substrate layer of a semiconductor substrate, said first conductivity type semiconductor substrate layer and said second conductive An active region composed of a first conductivity type drift layer having a lower impurity concentration than the first conductivity type semiconductor substrate layer between the type base regions;
A first main electrode electrically connected to the second conductivity type base region;
A first conductivity type pillar region formed on four outer peripheral surfaces along the cut surface of the semiconductor substrate;
Second conductivity formed surrounding the active portion region and extending from the active portion region to the first conductivity type pillar region and all from the surface of the semiconductor substrate to the first conductivity type semiconductor substrate layer. A termination structure having a type semiconductor region;
A second main electrode electrically connected to the back side of the semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising:
[N2<εSi×Ecritical/(q×t)]
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 If the elementary charge is q, the dielectric constant of silicon is ε Si , the critical electric field strength of the semiconductor is E critical, and the thickness and concentration of the second conductivity type semiconductor region are t and N 2 , respectively,
[N 2 <ε Si × E critical / (q × t)]
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
であることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。 [N 2 <0.8 × ε Si × E critical / (q × t)]
The semiconductor device according to claim 10, wherein:
Wprojection>0.2×t
であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 When the projection amount of the second conductivity type base region to the second conductivity type semiconductor region is W projection and the thickness of the second conductivity type semiconductor region is t,
W projection > 0.2 × t
The semiconductor device according to claim 6, wherein:
であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。 W projection > 0.4 × t
The semiconductor device according to claim 12, wherein:
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